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Astronomie+Physik

Wie das Hexagon des Saturn entsteht

Saturn
Modell der Tiefenströmungen auf dem Saturn. (Bild: Rakesh K. Yadav)

Der sechseckige Strömungswirbel am Nordpol des Saturn ist eines der auffälligsten und merkwürdigsten Phänomene im Sonnensystem. Jetzt wirft eine Simulation neues Licht darauf, wie dieses Gebilde aus Wolken und Stürmen entsteht. Demnach liegen die Wurzeln des Strömungsmusters in größerer Tiefe als lange angenommen – was die jahrzehntelange Stabilität des Hexagons erklären könnte. In der Simulation reichten Wechselwirkungen zwischen zonalen Strömungsbändern aus, um den zentralen Wirbel umgeben von gegenläufig drehenden Zyklonen zu bilden. Oberflächliche Turbulenzen der Saturnatmosphäre verändern deren Anordnung zwar leicht, das Grundmuster bleibt aber bestehen, wie die Forscher berichten.

Entdeckt wurde das seltsame, sechseckige Strömungsmuster schon in den 1980er Jahren, als Forscher die Daten der Raumsonde Voyager 2 auswerteten. Diese zeigten ein auffälliges, noch bei keinem anderen Planeten im Sonnensystem beobachtetes, geometrisches Wolkenmuster am Nordpol des Gasplaneten. Dieses Muster besteht aus einem zentralen Wirbel, der bis in rund 15 Grad Entfernung vom Nordpol von einem sechseckigen, relativ scharf abgegrenzten Strömungsband umgeben ist. Dieses Windband bewegt sich in Richtung der Rotation um den Planeten und ist seit rund 40 Jahren in Form und Position weitgehend unverändert. Doch warum diese Struktur so ausgeprägt sechseckig ist, warum nur der Saturn ein solches Hexagon hat und welche physikalischen Gesetzmäßigkeiten dahinterstecken, blieb bislang unklar. Überlegungen dazu gab es zwar schon einige. „Aber es fehlte ein Modell dazu, wie solche großräumigen polygonalen Strömungen in der hochgradig turbulenten Atmosphäre des Saturn entstehen können“, erklären Radesh Yadav und Jeremy Boxham von der Harvard University.

Wie tief reicht das Hexagon?

Die meisten Planetenforscher gehen davon aus, dass dieses sechseckige Muster auf eine Variante der Rossby-Wellen zurückgeht – einer großräumigen Welle in Gas oder Flüssigkeit, die durch das Zusammenwirken der Planetenrotation mit der sogenannten Corioliskraft entsteht. Diese kommt zustande, weil sich der Planet am Äquator schneller dreht als an den Polen. Dies sorgt beispielsweise in der Erdatmosphäre dafür, dass Luftmassen und Winde zu den Polen hin abgelenkt werden. Auf dem Saturn könnten gängiger Annahme zufolge lokale Turbulenzen in dem polnahen Windband kombiniert mit diesem Coriolis-Effekt die Ecken im polaren Strömungsmuster erzeugen. Allerdings: Wie tief dieses Hexagon hinunterreicht und wo seine Wurzeln liegen, blieb bislang strittig: „Es gibt zwei grundlegende Theorien: In einer ist das Hexagon flach und reicht nur zehn bis hunderte Kilometer in die Tiefe, in der anderen erstreckt es sich tausende Kilometer weit hinab“, sagen Yadav und Boxham.

Um den Wurzeln des Hexgons nachzugehen, haben sie eine Modellsimulation entwickelt und durchgespielt, die die Vorgänge auch in tiefen Schichten umfasst. Dafür konstruierten sie einen virtuellen Saturn, dessen tiefere, stabile Innenschichten von einer atmosphärischen Schicht ab etwa 90 Prozent des Saturnradius umgeben ist. Diese Außenschicht bestand aus Schalen abnehmender Fluid-Dichte. Dann versetzten die Forscher diesen virtuellen Gasplaneten in Rotation und beobachteten, wie sich die Fluide unter dem Einfluss der Drehung und der Konvektion zwischen den Unterschieden verhielten.

Formbildende Wirbel nur in der Tiefe sichtbar

Es zeigte sich: „Im Verlauf der Simulation entwickeln sich aus der rotierenden turbulenten Konvektion allmählich starke zonale Strömungen“, so die Forscher. Ähnlich wie beim Saturn und auch Jupiter zu beobachten, entstehen Windbänder, die sich abwechselnd mit und gegen die Rotationsrichtung bewegen. „Doch die Dynamik dieses Systems umfasst mehr als nur die zonalen Ströme“, berichten Yadav und Boxham. „Gleichzeitig mit den Strömen entstehen auch wohldefinierte, großräumige Wirbel in den mittleren und hohen Breiten.“ Und wie beim echten Saturn bildete sich in der Simulation ein großer Wirbel direkt auf dem Nordpol. Unmittelbar südlich davon war er von drei kleineren, in Gegenrichtung kreisenden Zyklonen eingerahmt, auf die wiederum ein ganzer Satz noch kleinerer Zyklone folgte. Aus diesen Strukturen resultierte ein Muster, das einem Polygon mit neun Ecken ähnelte. All diese Strukturen traten am klarsten bei etwa 95 Prozent des Saturnradius auf – entsprechend einer großen Tiefe.

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Nach Ansicht der Forscher demonstriert dies, dass das Saturn-Hexagon tiefe Wurzeln haben muss – und dass dort schon einfache Wechselwirkungen von Rotation, Corioliskraft und Fluiddichte diese polygonalen Muster erzeugen können. Die Simulation enthüllte auch, dass mit abnehmender Tiefe die Turbulenzen und Windgeschwindigkeiten in der Gashülle des virtuellen Saturn zunehmen. Weil der zentrale Wirbel über dem Pol stark und energiereich genug ist, diesen Störeinflüssen standzuhalten, bleibt er bis an die Oberfläche erhalten. Die kleineren Zyklone aber, die zur Formgebung in der Tiefe beitragen, werden von den oberflächennahen Turbulenzen überdeckt. „Ähnlich können wir uns das Szenario auf dem Saturn vorstellen, wo die hexagonale Form des Jets durch sechs benachbarte Wirbel stabilisiert wird“, erklären Yadav und Boxham. „Aber sie werden von der chaotischeren Konvektion der oberflächennahen Schichten verborgen.“

Quelle: Rakesh Yadav und Jeremy Bloxham (Harvard University), Proceedings of the National Academy of Sciences; doi: 10.1073/pnas.2000317117

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